KAUST nutzt Laserimpulse, um die Leistung der MXene-Elektrode zu steigern

Aug 18, 2023

KAUST-Forscher haben den Einsatz von Laserpulsen demonstriert, um die Struktur eines vielversprechenden alternativen Elektrodenmaterials namens MXene zu modifizieren und so seine Energiekapazität und andere Schlüsseleigenschaften zu steigern. Die Forscher hoffen, dass diese Strategie dazu beitragen könnte, ein verbessertes Anodenmaterial für Batterien der nächsten Generation zu entwickeln.

Ein Artikel über ihre Arbeit ist in der Zeitschrift Small veröffentlicht.

Graphit enthält flache Schichten aus Kohlenstoffatomen, und während des Batterieladens werden Lithiumatome zwischen diesen Schichten in einem Prozess namens Interkalation gespeichert. MXene enthalten auch Schichten, die Lithium aufnehmen können. Diese Schichten bestehen jedoch aus Übergangsmetallen wie Titan oder Molybdän, die an Kohlenstoff- oder Stickstoffatome gebunden sind, was dem Material eine hohe Leitfähigkeit verleiht. Auf den Oberflächen der Schichten befinden sich zudem weitere Atome wie Sauerstoff oder Fluor. Auf Molybdänkarbid basierende MXene verfügen über eine besonders gute Lithiumspeicherkapazität, allerdings lässt ihre Leistung nach wiederholten Lade- und Entladezyklen schnell nach.

Das Team unter der Leitung von Husam N. Alshareef und Ph.D. Die Studentin Zahra Bayhan entdeckte, dass dieser Abbau durch eine chemische Veränderung verursacht wird, die Molybdänoxid innerhalb der MXen-Struktur bildet.

Um dieses Problem anzugehen, verwendeten die Forscher Infrarot-Laserimpulse, um kleine „Nanopunkte“ aus Molybdänkarbid innerhalb des MXene zu erzeugen, ein Prozess, der als Laserritzen bezeichnet wird. Diese etwa 10 Nanometer breiten Nanopunkte wurden durch Kohlenstoffmaterialien mit den MXene-Schichten verbunden.

Dies bietet mehrere Vorteile. Erstens stellen die Nanopunkte zusätzliche Speicherkapazität für Lithium bereit und beschleunigen den Lade- und Entladevorgang. Durch die Laserbehandlung wird außerdem der Sauerstoffgehalt des Materials reduziert und so die Bildung des problematischen Molybdänoxids verhindert. Schließlich verbessern starke Verbindungen zwischen den Nanopunkten und den Schichten die Leitfähigkeit des MXens und stabilisieren seine Struktur beim Laden und Entladen.

Die Forscher stellten aus dem laserbeschrifteten Material eine Anode her und testeten sie in einer Lithium-Ionen-Batterie über 1000 Lade-Entlade-Zyklen. Mit den Nanopunkten hatte das Material eine viermal höhere elektrische Speicherkapazität als das ursprüngliche MXene und erreichte fast die theoretische maximale Kapazität von Graphit. Auch beim Zyklentest zeigte das laserbeschriftete Material keinen Kapazitätsverlust.

Hierin wird offenbart, dass die instabile Zyklenleistung von Mo2CTx auf die teilweise Oxidation zu MoOx mit strukturellem Abbau zurückzuführen ist. Es wurde eine laserinduzierte Mo2CTx/Mo2C (LS-Mo2CTx)-Hybridanode entwickelt, deren Mo2C-Nanopunkte die Redoxkinetik steigern und der laserreduzierte Sauerstoffgehalt den durch Oxidation verursachten Strukturabbau verhindert. Unterdessen verbessern die starken Verbindungen zwischen den laserinduzierten Mo2C-Nanopunkten und Mo2CTx-Nanoblättern die Leitfähigkeit und stabilisieren die Struktur während des Lade-Entlade-Zyklus.

Die so vorbereitete LS-Mo2CTx-Anode weist eine erhöhte Kapazität von 340 mAh g-1 gegenüber 83 mAh g-1 (für makelloses Material) und eine verbesserte Zyklenstabilität (Kapazitätserhaltung von 106,2 % gegenüber 80,6 % für makelloses Material) über 1000 Zyklen auf. Der laserinduzierte Syntheseansatz unterstreicht das Potenzial MXene-basierter Hybridmaterialien für Hochleistungs-Energiespeicheranwendungen.

Die Forscher glauben, dass Laserritzen als allgemeine Strategie zur Verbesserung der Eigenschaften anderer MXene eingesetzt werden könnte. Dies könnte dazu beitragen, eine neue Generation wiederaufladbarer Batterien zu entwickeln, die billigere und häufiger vorkommende Metalle verwenden als beispielsweise Lithium. Im Gegensatz zu Graphit können MXene auch Natrium- und Kaliumionen einlagern, bemerkt Alshareef.

Ressourcen

Bayhan, Z., El-Demellawi, JK, Yin, J., Khan, Y., Lei, Y., Alhajji, E., Wang, Q., Hedhili, MN & Alshareef, HN (2023) Ein laserinduzierter Mo2CTx MXene Hybridanode für Hochleistungs-Li-Ionen-Batterien. Kleines Doi: 10.1002/small.202208253

Gepostet am 28. Juli 2023 in Batterien, Markthintergrund, Materialien | Permalink | Kommentare (0)